EP3250889B1 - Magnet-basiertes drehwinkelmesssystem - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a magnet-based rotational angle measuring system for detecting a rotational movement of a drive shaft, with a drive shaft, a non-rotatably connected to the drive shaft at a free or axial end excitation unit, and a fixed sensor unit which is functional for detecting a rotational movement of the drive shaft with the excitation unit interacts.
- Such rotational angle measuring systems are used for measuring rotational movements of a shaft and are often referred to as angle measuring device, rotation angle sensor or rotary encoder. They are used in particular for the control and monitoring of machines and vehicles.
- Non-contact rotary angle measuring systems for example electrically or magnetically induced systems, play a special role, because they have a long service life due to the wear-free sensor technology.
- magnet-based rotational angle measuring systems in particular in magnetic multiturn absolute encoders, the rotation of a shaft is detected inductively by means of a measuring unit, wherein the measuring unit in particular a rotating exciter unit, such as a permanent magnet, and a stationary sensor unit with at least one sensor, such as a Hall sensor. and / or Wiegand sensor.
- the measuring unit is usually arranged at the free end of the shaft to be monitored.
- an angle measuring device with a scanning device is known in which the scanning device is shielded from electrical interference.
- the scanning device is fixed electrically insulated in a housing and connected to the ground potential of an evaluation unit.
- the housing is in electrical contact with the drive unit, so that the interference signals emanating from the activation of the drive unit have no disadvantageous effects on the measured values.
- Generic rotational angle measuring systems are from the publications DE 10 2008 051 479 A1 . EP 2 159 547 A2 . DE 10 2013 103 445 A1 . DE 10 2009 004 780 A1 and DE 10 2009 051 978 A1 known.
- the disadvantage here is that magnetically induced disturbances are not shielded and thus, in particular in the case of magnet-based angle measuring devices in the sensor unit, measurement errors are still caused.
- the device for shielding the angle measuring device is very complex and includes a plurality of components.
- the invention is therefore based on the object to provide a rotation angle measuring system for detecting a rotational movement of a drive shaft, which allows an accurate and trouble-free measurement, a simple structure and an easy installation.
- the object is achieved by a rotation angle measuring system with the features of claim 1.
- the drive shaft in the region of the free end on a coaxial recess or depression, so that in this region of the drive shaft, a hollow shaft portion is formed, wherein the exciter unit is fixed by means of a recess extending through the fastening means on the drive shaft, wherein in the area the hollow shaft section between the drive shaft and the fastening device, a radial air gap is formed.
- the drive shaft may be a separately formed wave section, a transmission shaft or else directly the shaft of an electric motor or a magnetic brake.
- the drive shaft may be at least partially formed as a solid shaft.
- a magnetic field induced in the drive shaft can be guided in the region of the free end into a radial outer region of the drive shaft and concentrated there, for example, for a discharge.
- a derivation of a magnetic field generated in the drive shaft is made possible radially outward through the recess.
- a hollow space radially surrounded by the hollow shaft portion can be almost magnetically isolated, so that this area is particularly well suited for coupling a measuring unit to the drive shaft.
- the fastening device of the excitation unit is advantageously arranged in the region of the recess directly on the drive shaft. As a result, an additional wave for the measuring unit is not required.
- the fastening device can be formed by a screw which can be inserted radially into the drive shaft, in particular a grub screw. Additionally or alternatively, a bonding of the excitation unit to the drive shaft may be provided.
- the fastening device per se is preferably made of a magnetically non-conductive or only slightly conductive material.
- the fastening device is made of titanium or brass, so that transmission of the magnetic field induced in the drive shaft or a shaft section through the fastening device to the exciter unit can be prevented.
- a radial air gap is formed in the region of the hollow shaft section between the drive shaft and the fastening device.
- the diameter of the recess can each be so large that the fastening device can extend without contact at least in the region of the free end through the recess or through the hollow shaft section.
- a second axial end face of the drive shaft is preferably formed, on which the fastening means is in contact with the drive shaft and is secured to the drive shaft.
- the fastening device is surrounded at least in the region of the hollow shaft section by a spacer or a spacer sleeve, which or consists of a magnetically non-conductive material.
- the screw can be magnetically isolated particularly effectively, so that magnetic induction of the screw in the region of the hollow shaft section can be prevented.
- the arrangement of the spacer sleeve can in particular cause the magnetic field to be relatively in the case of transmission between two conductors is widely dissipated to prevent local magnetic saturation of the receiving material.
- the recess at the free end of the drive shaft is preferably frusto-conical, so that the remaining in the region of the hollow shaft portion and the solid shaft axially projecting material ring tapers conically in the direction of the free end or converges pointed.
- This truncated cone shape allows a relatively uniform derivative of a magnetic field generated in the drive shaft radially outward.
- the recess may also be hemispherical or formed in another form.
- a first shielding body which has a coaxial to the drive shaft annular disc, which is preferably arranged axially between the exciter unit and the drive shaft, and a radially outer circumferential to the annular disk first axial portion.
- the annular disc preferably has a coaxial opening through which at least the fastening device extends.
- the diameter of this opening is only slightly larger than that of the fastening device.
- the opening can also serve to center the annular disc relative to the fastening device.
- a part of the drive shaft may extend through this opening.
- the first axial portion of the annular disc can project on one side.
- the first axial section protrudes on both sides, in particular in equal parts, on the annular disc.
- the first axial section may at least partially surround the drive shaft in the region of the hollow shaft section.
- the first axial section may be formed as a cylinder portion, so that a very large circumferential surface is created.
- the first shielding body is preferably magnetically conductive or preferably has a relatively high magnetic permeability, so that a magnetic field induced, for example, in the region of the opening of the annular disc passes through the annular disk radially outwards and through the first axial section arranged radially on the outside of the annular disk or can be transmitted to an adjacent component.
- the first shielding body made of a so-called mu-metal, a nickel-iron alloy produced.
- the first shielding body is made of steel.
- the first shielding body is rotatably connected to the drive shaft.
- the first shielding body with an axial end face of the annular disc at the free end of the hollow shaft portion and / or abut on a spacer and be fastened for example by means of the fastening means of the exciter unit to the drive shaft.
- a magnetic field generated in the drive shaft and applied in the hollow shaft section can be conducted directly into the annular disc via the end face.
- the induced magnetic field for the shielding of the measuring unit can be directed radially outwards into the first axial section. This creates a particularly effective and relatively space-saving shielding of the measuring unit.
- a first is preferably between the first shielding body and the drive shaft Spacer disposed
- the first spacer is preferably made of a magnetically non-conductive or magnetically low-conductive material.
- the first spacer is adapted to surround the free end of the drive shaft both axially and radially.
- the first spacer is formed as an attachable to the free end sleeve.
- the first shielding body can be arranged and fixed at a defined distance both in the axial and in the radial direction with respect to the drive shaft.
- the first spacer preferably has an opening through which the fastening device extends, so that the first spacer can be biased in the direction of the drive shaft.
- a second spacer may be arranged between the first shielding body and the exciter unit.
- the second spacer is preferably made of a magnetically non-conductive or only slightly conductive material.
- the second spacer may be a washer, which may be used for fixing in a recess on the first shielding body.
- the first shielding body preferably has a second axial section, with which the first shielding body can abut radially on the drive shaft and / or on the spacer.
- the first shielding body with the second axial section can be placed or pushed over the free end of the drive shaft and / or over the spacer.
- the first shielding body is arranged spaced apart from the free end of the hollow shaft section at least with an axial end face of the annular disc, which is arranged opposite the free end of the drive shaft. Furthermore, the first shielding body can also be disposed radially spaced from the drive shaft. As a result, an axial and / or radial air gap can be formed between the first shielding body and the drive shaft, so that the first shielding body can be stationary relative to the drive shaft.
- the diameter of the inner opening of the annular disc is preferably smaller than the inner diameter of the hollow shaft portion of the drive shaft at the free end.
- a magnetic field prevailing at the free end of the drive shaft in the hollow shaft section can be transmitted or induced axially to a limited extent axially on the annular disk via the air gap formed between the drive shaft and the first shielding body.
- the magnetic field can in particular be transmitted uniformly and continuously without there being any magnetic supersaturation in the annular disk.
- the air gap addressed here can also be replaced or realized by a magnetically non-conductive spacer in an alternative embodiment.
- the annular disk and the axial section of the first shielding body can be designed to be material-weak or thin, respectively, for effective bypassing of the magnetic field. As a result, an effective shielding and a relatively low weight of the rotational angle measuring system are made possible, so that ultimately the manufacturing costs are reduced.
- a second shielding body which has an axial cylinder portion which radially surrounds at least the first axial portion of the first shielding body, wherein a defined between the first axial portion and the axial cylinder portion Air gap is formed.
- the first shielding body is magnetically conductive and made of steel or a so-called mu-metal.
- the radial distance between the first shielding body and the second shielding body may be constant over the axial length of the cylinder. As a result, a large-area and uniform transmission of a magnetic field can be effected.
- the second shielding body can be placed over the first shielding body in a relatively simple manner.
- the second shielding body may be fixed and, in particular, designed as an outer housing of at least the measuring unit. Consequently, a magnetic field generated in the rotating components of the rotational angle measuring system can be transmitted at a transfer point to at least one stationary component, in particular to the second shielding body. As a result, the area can be increased to the shield, without additional rotating components and an associated additional weight on the drive shaft are required. Furthermore, an effective shield against an externally generated magnetic field can be created.
- the first shielding body and / or the second shielding body may have at least one axial bearing portion against which a bearing of the drive shaft bears.
- the first shielding body and / or the second shielding body has a shoulder against which a shaft bearing of the drive shaft rests. This allows a precise alignment of the rotation angle measuring system or the measuring unit with respect to the drive shaft and a space-saving design.
- the first shielding body and / or the second shielding body may have at least one shoulder on which the sensor unit and / or a housing are fastened.
- a flange may be formed with a screw hole pattern on which the housing with a corresponding mating flange and a corresponding Screw hole pattern is fixed by screws.
- the respective shielding body can in turn likewise be fixable on the machine side via this or a further shoulder.
- the first shielding body may be fastened to the second shielding body on the shoulder.
- a shoulder or web for securing the sensor unit may be provided on the first shielding body and / or the second shielding body.
- the second shielding body has a shoulder, on which a sensor carrier can be axially inserted and fastened.
- a housing is provided which at least partially surrounds the rotation angle measuring system.
- the measuring unit, the first shielding body and / or the second shielding body may be surrounded by the housing axially and / or radially.
- the housing is preferably made of steel.
- the housing is preferably axially mountable on the first shielding body and / or on the second shielding body.
- the housing is designed as a pot, which can be mounted axially on the rotation angle measuring system, in particular the measuring unit.
- the exciter unit may have a magnet carrier with at least two magnets fixed to the magnet carrier.
- the magnet carrier is magnetically conductive and arranged directly opposite to the sensor, so that a double shield exists, which defines a magnetic field system precisely.
- the magnetic conditions on the sensor, in particular a Wiegandsensor ensured and a multi-turn functionality of the sensor can be made possible.
- the drive shaft is coaxially connected to a second shaft at a free end on which the exciter unit is arranged facing away or opposite shaft end, in particular a second free end, wherein the drive shaft of a magnetically not or only low conductive material, such as titanium or brass, and the second shaft may be made of steel.
- a rotational angle measuring system 100 which provides an immediate attachment or a direct coupling of a measuring unit 101 to a drive shaft 4, wherein the measuring unit 101 comprises an exciter unit 5 and a sensor unit 7.
- the rotational angle measuring system 100 is arranged at an axial end of the drive shaft 4, so that an additional shaft for the measuring unit 101 is not required.
- the drive shaft 4 is usually a solid shaft made of steel, which is suitable to be at least partially magnetized.
- the drive shaft 4 can be magnetized in operation by the electric motor, not shown, or by a non-illustrated, with the drive shaft 4 in contact magnetic brake.
- such a shielding is effected, in particular, by a geometrical configuration of the magnetically conductive components 1, 2, 4, 8 of the rotational angle measuring system 100, so that the magnetic fields interfering with a measurement are deflected around the measuring unit 101.
- the drive shaft 4 at a free end 43 a hollow shaft portion 42 which in the direction of free end of the drive shaft 4 conical converges.
- a cylindrical or frustoconical recess 41 in the drive shaft 4 is formed at the free end 43, wherein on an axial end face of the drive shaft 4, a narrow circumferential end face 43a is present.
- the recess 41 may be made for example by means of a turning tool or by a coaxial bore.
- second end face 43b of the drive shaft 4 is formed, which is broken by a to the drive shaft 4 coaxial bore 45.
- a thread is formed, with which a fastening device 9, in this case a screw, is engaged.
- the screw 9 is made of a magnetically non-conductive or only slightly conductive material, for example by means of a titanium-aluminum-vanadium alloy, so that a magnetic field induced in the drive shaft 4 at the free end 43 of the drive shaft 4 not by the screw 9 but only is forwarded to the outside or in the hollow shaft section 42.
- the conical configuration of the hollow shaft section 42 effects a concentration of the magnetic field guided into the hollow shaft section 42.
- a first shielding body 1 In order to divert a magnetic field conducted into the hollow shaft section 42 to the outside or around the measuring unit 101, a first shielding body 1 is provided, which has an annular disk 10 and a first axial section 12a which extends radially on the outside of the annular disk 10.
- the first shielding body 1 is provided with a - as in FIG. 2 recognizable - second axial portion 12b mounted axially on the drive shaft 4 and on a first spacer 81 and rotatably connected to the drive shaft 4.
- the first spacer 81 is constructed in the form of a coaxially aligned with the drive shaft 4 sleeve with a lid and is accurately slipped axially over the free end 43 of the drive shaft 4. On the lid of the first spacer 81 is provided with an opening through which the screw 9 extends. About the first spacer 81, the first shielding body 1 is fitted accurately, so that the first shielding body 1 and the first spacer 81 are fixed to the drive shaft 4 via the screw 9. The arrangement of the first spacer 81 between the drive shaft 4 and the first shielding body 1 enables the first shielding body 1 to be arranged at a defined axial and radial distance from the drive shaft 4.
- an end face 11 and a radially inwardly formed on the second axial portion 12 b transmission surface 15 are arranged at a constant distance from the drive shaft 4.
- a uniform and continuous transmission of a magnetic field from the drive shaft 4 to the first shielding body 1 is made possible.
- the derivation of a magnetic field can be optimized by a spacing of the first shielding body 1 from the drive shaft 4 and thus a limitation of the magnetic transmission from the drive shaft 4 to the first shielding body 1.
- the first spacer 81 is preferably made of a material which has no or only a low magnetic conductivity, for example of aluminum.
- the annular disk 10 of the first shielding body 1 has a coaxial opening 14 through which the screw 9 extends.
- the first shielding body 1 can be prestressed on the axial end face 43a of the drive shaft 4.
- Radially outward on the annular disc 10, the first axial portion 12a is formed, in particular a coaxial cylinder portion.
- the first axial portion 12a extends from the annular disc 10 on both sides toward and away from the drive shaft 4.
- the first shielding body 1 is made of a magnetically conductive material, for example, iron or steel.
- a magnetic field concentrated in the flanks of the hollow shaft portion 42 can be transmitted to the annular disk 10 and the second axial portion 12b of the first shielding body 1 and guided radially outward into the first axial portion 12a through the first shielding body 1.
- the first axial portion 12a of the first shielding body 1 is radially surrounded in the mounted state by a stationary second shielding body 2.
- the second shielding body 2 comprises a flange 22, from which an axial cylinder portion 21 extends.
- the axial cylinder portion 21 of the second shielding body 2 surrounds the first axial portion 12 a of the first shielding body 1 with a small radial distance, so that the first shielding body 1 is freely rotatable within the second shielding body 2.
- an outer radial transfer surface 16 of the first axial section 12a and an inner radial transfer surface 26 of the cylindrical section 21 are arranged opposite one another with a small air gap.
- a magnetic field can be transmitted from the first shielding body 1 to the second shielding body 2 and forwarded.
- the second shielding body 2 has an axial bearing section 24 against which a bearing 44 of the drive shaft 4 rests. This allows a precise alignment of the measuring unit 101 with respect to the drive shaft 4.
- the first axial section 12a at least partially radially surrounds a space in which the excitation unit 5 is arranged.
- the excitation unit 5 comprises a magnetic carrier 50 to which two permanent magnets 51a, 51b are attached.
- the excitation unit 5 is rotatably connected to the drive shaft 4 via the screw 9, so that the magnets 51a, 51b build up a rotary magnetic field corresponding to the rotation of the drive shaft 4 during operation, which is detected by the sensor unit 7.
- a magnetically non-conductive second spacer 82 is provided between the first shielding body 1 and the exciter unit 5.
- the second spacer 82 is presently designed as a washer, which is inserted into an axial recess on the annular disc 10, so that a slipping or shifting of the washer 82 and the screw 9 relative to the annular disc 10 is prevented.
- the screw 9 thus extends through the magnet carrier 50, the second spacer 82, the first shielding body 1 and the first spacer 81 into the drive shaft 4, so that the aforementioned components of the rotational angle measuring system 100 are fixed to the drive shaft 4.
- the screw 9 is preferably coaxially connected to the drive shaft 4 and arranged in relation to the radially inner side walls of the hollow shaft portion 42 without contact in the recess 41.
- the sensor unit 7 is stationary and in particular comprises a sensor 71 attached to a sensor carrier 72, for example a Hall and / or Wiegand sensor.
- the sensor 71 is suitable in an embodiment for detecting each revolution of the drive shaft 4.
- the sensor unit 7 may further comprise a processing electronics, not shown.
- the sensor carrier 72 is formed as a round disc, which in the mounted state on a shoulder 23 of the second shielding body 2 is applied. The sensor carrier 72 thereby forms a cover for the excitation unit 5 arranged within the axial section 12a of the first shielding body 1.
- a stationary housing 8 at least partially surrounds both the first shielding body 1 and the second shielding body 2.
- the housing 8 can be plugged in a simple manner over the cylinder portion 21 of the second shielding body 2 and fastened by means of screws 91 to the flange 22 of the second shielding body 2.
- the housing 8 may be made of steel, so that a magnetic field transmitted from the second shielding body 2 into the housing 8 can be dissipated to the outside.
- FIG. 3 an alternative embodiment of the invention is shown, which predominantly - except for example, the configuration and the arrangement of the first shielding body 1 with respect to the drive shaft 4 - in the Figures 1 and 2 shown embodiment corresponds.
- a drive shaft 4 with a formed at a free end 43 hollow shaft portion 42 is again provided a drive shaft 4 with a formed at a free end 43 hollow shaft portion 42.
- a first shielding body 1 rests with an end face 11 of an annular disc 10 directly against an axial end face 43 a of the drive shaft 4.
- a first spacer 81 is not provided. This can be a direct transfer of a prevailing in the drive shaft 4 magnetic field in the first shielding 1 done.
- a circumferential axial section 12a is formed radially on the outside of the annular disk 10, which is cylindrical and extends on one side away from the annular disk 10 in the direction away from the drive shaft 4.
- a cylindrical section 21 of the second shielding body 2 is arranged at a distance.
- FIG. 4 an alternative embodiment of the invention is shown, which in turn predominantly - except for example, the configuration and the arrangement of the first shielding body 1 with respect to the drive shaft 4 - in the Figures 1 and 2 shown embodiment corresponds.
- a drive shaft 4 which has a frustoconical hollow shaft portion 42 having a recess 41 at a free end 43.
- a first spacer 81 is inserted, which is rotatably connected to the drive shaft 4 and the axial length of the axial length of the recess 41 projects clearly beyond.
- the first spacer 81 protrudes from the free end 43 of the drive shaft 4.
- the first spacer 81 is preferably made of a material having only a low magnetic conductivity, for example, aluminum.
- the screw 9 is likewise made of a material which is not magnetically or only slightly conductive, so that a magnetic field induced in the drive shaft 4 does not extend beyond the first spacer 81 and / or the first spacer 81 Screw 9 slides on, but in the radially outwardly disposed flanks of the hollow shaft portion 42 is concentrated.
- a magnetic carrier 50 of an exciter unit 5 is biased by means of the screw 9 to the drive shaft 4.
- Two permanent magnets 51a, 51b are fastened to the magnetic carrier 50, which in operation build up a rotational magnetic field corresponding to the rotation of the drive shaft 4, which is detectable by a sensor 71 of a sensor unit 7.
- the sensor 71 is of a in the FIG. 4 Surrounding housing 8, not shown.
- a first shielding body 1 is arranged with an end face 11 of an annular disc 10 at a defined distance from an axial end face 43a of the drive shaft 4, so that an axial air gap 61 is formed between the first shielding body 1 and the drive shaft 4.
- the first shielding body 1 is presently designed as a fixed component of the rotational angle measuring system 100.
- the first shielding body 1 may be constructed in two parts, so that the first shielding body 1 has two halves which are radially inserted into one another or can be placed.
- the first shielding body 1 via a flange on the in FIG. 4 not shown housing 8 may be attached. Through a coaxial opening 14 of the annular disc 10, the screw 9 and the first spacer 81 extend.
- the diameter of this opening 14 is smaller than the diameter of the radially inner flanks of the hollow shaft section 42.
- a circumferential axial section 12a is formed , which is cylindrical and extends on one side of the annular disc 10 in the direction away from the drive shaft 4.
- the first shielding body 1 is fixed and not connected to the drive shaft 4.
- the first shielding body 1 is made of a magnetically conductive material, such as iron or steel. This can be a in the flanks of the Hollow shaft portion 42 is transmitted concentrated magnetic field via the axial air gap 61 in the annular disc 10 and finally passed radially outward into the axial portion 12 a to the exciter unit 5 and the sensor unit 7.
- the measuring unit 101 can thereby be effectively shielded from a magnetic field induced in the drive shaft 4.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Magnet-basiertes Drehwinkelmesssystem zum Erfassen einer Drehbewegung einer Antriebswelle, mit einer Antriebswelle, einer mit der Antriebswelle an einem freien bzw. axialen Ende drehfest verbundenen Erregereinheit, und einer feststehenden Sensoreinheit, die zum Erfassen einer Drehbewegung der Antriebswelle mit der Erregereinheit funktional zusammenwirkt.
- Derartige Drehwinkelmesssysteme dienen zur Messung von Drehbewegungen einer Welle und werden vielfach auch als Winkelmesseinrichtung, Drehwinkelsensor oder Drehgeber bezeichnet. Sie werden insbesondere zur Steuerung und Überwachung von Maschinen und Fahrzeugen eingesetzt. Eine besondere Rolle spielen dabei kontaktfreie Drehwinkelmesssysteme, beispielsweise elektrisch oder magnetisch induzierte Systeme, da sie aufgrund der verschleissfreien Sensorik eine lange Lebensdauer haben. Bei Magnet-basierten Drehwinkelmesssystemen, insbesondere bei magnetischen Multiturn-Absolutwertgebern, wird die Umdrehung einer Welle mittels einer Messeinheit induktiv erfasst, wobei die Messeinheit insbesondere eine rotierende Erregereinheit, wie einen Permanentmagnet, und eine feststehende Sensoreinheit mit zumindest einem Sensor, wie beispielsweise einem Hall- und/oder Wiegand-Sensor, umfasst. Hierzu ist die Messeinheit zumeist an dem freien Ende der zu überwachenden Welle angeordnet.
- Bei der Anordnung bzw. dem Anbau eines Magnet-basierten Drehwinkelmesssystems unmittelbar an eine Antriebswelle, insbesondere an einer Antriebswelle eines Elektromotors bzw. Elektrogenerators, treten jedoch häufig geringe Messfehler auf. Solche Messfehler sind zumeist durch von außen auf das Drehwinkelmesssystem einwirkende Störgrößen verursacht. Eine solche Störgröße ist beispielsweise ein Magnetfeld, das dadurch hervorgerufen ist, dass die Antriebswelle im Betrieb von dem Elektromotor oder von einer elektromagnetischen Bremse magnetisiert wird und das Magnetfeld durch die typischerweise aus Stahl hergestellte Welle weitergeleitet wird und schließlich an dem Drehwinkelmesssystem das durch die Erregereinheit gebildete rotatorische Magnetfeld verändert, so dass in der Sensoreinheit Messfehler verursacht werden. Zur Verbesserung der Messgenauigkeit ist daher eine Vermeidung solcher Störungen in dem Drehwinkelmesssystem erforderlich.
- Aus der
DE 38 13 610 A1 ist eine Winkelmesseinrichtung mit einer Abtasteinrichtung bekannt, bei der die Abtasteinrichtung gegenüber elektrischen Störeinflüssen abgeschirmt ist. Dazu ist die Abtasteinrichtung in einem Gehäuse elektrisch isoliert befestigt und mit dem Massepotential einer Auswerteeinheit verbunden. Zudem steht das Gehäuse mit der Antriebseinheit in elektrischen Kontakt, so dass die von der Ansteuerung der Antriebseinheit ausgehenden Störsignale keine nachteiligen Auswirkungen auf die Messwerte haben. - Gattungsgemäße Drehwinkelmesssysteme sind aus den Druckschriften
DE 10 2008 051 479 A1 ,EP 2 159 547 A2 ,DE 10 2013 103 445 A1 ,DE 10 2009 004 780 A1 undDE 10 2009 051 978 A1 bekannt. - Nachteilig hierbei ist jedoch, dass magnetisch induzierte Störeinflüsse nicht abgeschirmt sind und dadurch insbesondere bei Magnet-basierten Winkelmesseinrichtungen in der Sensoreinheit nach wie vor Messfehler verursacht werden. Darüber hinaus ist die Einrichtung zur Abschirmung der Winkelmesseinrichtung sehr komplex aufgebaut und umfasst eine Vielzahl von Bauteilen.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Drehwinkelmesssystem zum Erfassen einer Drehbewegung einer Antriebswelle bereitzustellen, das eine exakte und störungsfreie Messung, einen einfachen Aufbau und eine unkomplizierte Montage ermöglicht.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Drehwinkelmesssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. - Erfindungsgemäß weist die Antriebswelle im Bereich des freien Endes eine koaxiale Ausnehmung bzw. Vertiefung auf, so dass in diesem Bereich der Antriebswelle ein Hohlwellenabschnitt ausgebildet ist, wobei die Erregereinheit mittels einer sich durch die Ausnehmung erstreckenden Befestigungseinrichtung an der Antriebswelle festgelegt ist, wobei in dem Bereich des Hohlwellenabschnitts zwischen der Antriebswelle und der Befestigungseinrichtung ein radialer Luftspalt ausgebildet ist. Die Antriebswelle kann vorliegend ein separat ausgebildetes Wellenteilstück, eine Getriebewelle oder auch unmittelbar die Welle eines Elektromotors oder einer magnetischen Bremse sein. Die Antriebswelle kann zumindest teilweise als Vollwelle ausgebildet sein. Durch die Ausbildung der koaxialen Ausnehmung kann ein in der Antriebswelle induziertes Magnetfeld im Bereich des freien Endes in einen radialen Außenbereich der Antriebswelle geleitet und dort beispielsweise für eine Ableitung konzentriert werden. Insbesondere ist durch die Ausnehmung eine Ableitung eines in der Antriebswelle erzeugten Magnetfelds nach radial außen hin ermöglicht. Dadurch kann ein von dem Hohlwellenabschnitt radial umgebener Hohlraum nahezu magnetisch isoliert werden, so dass dieser Bereich für eine Kopplung einer Messeinheit an der Antriebswelle besonders gut geeignet ist. Dazu ist die Befestigungseinrichtung der Erregereinheit vorteilhafterweise in dem Bereich der Ausnehmung unmittelbar an der Antriebswelle angeordnet. Dadurch ist eine zusätzliche Welle für die Messeinheit nicht erforderlich. Zur Anordnung der beispielsweise als eine axiale Schraube ausgebildeten Befestigungseinrichtung kann in der Antriebswelle am Grund der Ausnehmung eine Bohrung ausgebildet sein, wobei die Bohrung vorzugsweise koaxial zu der Antriebswelle ist und ein mit der Schraube korrespondierendes Gewinde aufweist. Dadurch kann die Erregereinheit in relativ einfacher Weise an dem freien Ende der Antriebwelle montiert werden. Alternativ kann die Befestigungseinrichtung durch eine radial in die Antriebswelle einsetzbare Schraube, insbesondere eine Madenschraube, gebildet sein. Zusätzlich oder alternativ kann ein Verkleben der Erregereinheit an der Antriebswelle vorgesehen sein. Die Befestigungseinrichtung an sich ist vorzugsweise aus einem magnetisch nicht oder nur gering leitfähigen Material hergestellt. Beispielsweise ist die Befestigungseinrichtung aus Titan oder Messing hergestellt, so dass eine Weiterleitung des in der Antriebswelle oder einem Wellenabschnitt induzierten Magnetfeldes durch die Befestigungseinrichtung hin zu der Erregereinheit verhindert werden kann.
- Vorzugsweise ist in dem Bereich des Hohlwellenabschnitts zwischen der Antriebswelle und der Befestigungseinrichtung ein radialer Luftspalt ausgebildet. Dazu kann der Durchmesser der Ausnehmung jeweils derart groß sein, dass die Befestigungseinrichtung sich zumindest im Bereich des freien Endes berührungsfrei durch die Ausnehmung bzw. durch den Hohlwellenabschnitt erstrecken kann. Am Grund der Ausnehmung ist bevorzugt eine zweite axiale Stirnseitenfläche der Antriebswelle ausgebildet, an der die Befestigungseinrichtung mit der Antriebswelle in Berührung steht und an der Antriebswelle befestigt ist. In einer Ausgestaltung ist die Befestigungseinrichtung zumindest in dem Bereich des Hohlwellenabschnitts von einem Abstandshalter bzw. einer Abstandshülse umgeben, der bzw. die aus einem magnetisch nichtleitfähigen Material besteht. Dadurch kann die Schraube besonders effektiv magnetisch isoliert werden, so dass eine magnetische Induktion der Schraube im Bereich des Hohlwellenabschnitts verhindert werden kann. Die Anordnung der Abstandshülse kann insbesondere bewirken, dass das magnetische Feld bei Übertragung zwischen zwei Leitern relativ weit zerstreut wird, um lokale magnetische Sättigung des aufnehmenden Materials zu verhindern.
- Die Ausnehmung an dem freien Ende der Antriebswelle ist bevorzugt kegelstumpfförmig ausgebildet, so dass der im Bereich des Hohlwellenabschnitts verbleibende und der Vollwelle axial hervorstehende Materialring sich in Richtung des freien Endes konisch verjüngt bzw. spitz zusammenläuft. Diese Kegelstumpfform ermöglicht eine relativ gleichmäßige Ableitung eines in der Antriebswelle erzeugten Magnetfelds nach radial außen hin. Alternativ - und je nach Anforderung - kann die Ausnehmung auch halbkugelförmig oder in einer anderen Form ausgebildet sein.
- In einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein erster Abschirmkörper vorgesehen, der eine zu der Antriebswelle koaxiale Ringscheibe, die vorzugsweise axial zwischen der Erregereinheit und der Antriebswelle angeordnet ist, und einen radial außen an der Ringscheibe umlaufenden ersten axialen Abschnitt aufweist. Die Ringscheibe weist bevorzugt eine koaxiale Öffnung auf, durch die sich zumindest die Befestigungseinrichtung erstreckt. Vorzugsweise ist der Durchmesser dieser Öffnung nur geringfügig größer, als der der Befestigungseinrichtung. Die Öffnung kann auch zur Zentrierung der Ringscheibe gegenüber der Befestigungseinrichtung dienen. Ferner kann sich auch ein Teil der Antriebswelle durch diese Öffnung erstrecken. Der erste axiale Abschnitt kann der Ringscheibe einseitig hervorstehen. Alternativ steht der erste axiale Abschnitt beidseitig, insbesondere zu gleichen Teilen, an der Ringscheibe hervor. Hierbei kann der erste axiale Abschnitt die Antriebswelle in dem Bereich des Hohlwellenabschnitts zumindest teilweise umgeben. Dadurch ist ein relativ platzsparender Aufbau des Drehwinkelmesssystems ermöglicht. Der erste axiale Abschnitt kann als ein Zylinderabschnitt ausgebildet sein, so dass eine sehr große umlaufende Fläche geschaffen ist. Der erste Abschirmkörper ist bevorzugt magnetisch leitfähig bzw. weist bevorzugt eine relativ hohe magnetische Permeabilität auf, so dass ein beispielsweise im Bereich der Öffnung der Ringscheibe induziertes Magnetfeld durch die Ringscheibe nach radial außen hin und durch den radial außen an der Ringscheibe angeordneten ersten axialen Abschnitt weitergeleitet bzw. an ein benachbartes Bauteil übertragen werden kann. Bevorzugt ist der erste Abschirmkörper aus einem sogenannten Mu-Metall, einer Nickel-Eisen-Legierung, hergestellt. Alternativ ist der erste Abschirmkörper aus Stahl hergestellt. Dadurch sind eine Umlenkung eines in der Antriebswelle erzeugten Magnetfeldes und somit eine effektive Abschirmung der Messeinheit des Drehwinkelmesssystems ermöglicht.
- Vorzugsweise ist der erste Abschirmkörper mit der Antriebswelle drehfest verbunden. Dazu kann der erste Abschirmkörper mit einer axialen Stirnseitenfläche der Ringscheibe an dem freien Ende des Hohlwellenabschnitts und/oder an einem Abstandshalter anliegen und beispielsweise mittels der Befestigungseinrichtung der Erregereinheit an der Antriebswelle befestigt sein. Dadurch kann ein in der Antriebswelle erzeugtes und in dem Hohlwellenabschnitt anliegendes Magnetfeld unmittelbar über die Stirnseitenfläche in die Ringscheibe geleitet werden. Innerhalb der Ringscheibe kann das induzierte Magnetfeld zur Abschirmung der Messeinheit nach radial außen hin in den ersten axialen Abschnitt geleitet werden. Dadurch ist eine besonders effektive und relativ platzsparende Abschirmung der Messeinheit geschaffen.
- Es hat sich gezeigt, dass für eine gleichmäßige und konstante Übertragung eines Magnetfeldes von der Antriebswelle an den ersten Abschirmkörper ein definierter Abstand zwischen dem ersten Abschirmkörper und der Antriebswelle geeignet ist. Daher ist zwischen dem ersten Abschirmkörper und der Antriebswelle bevorzugt ein erster Abstandshalter angeordnet, Der erste Abstandshalter ist vorzugsweise aus einem magnetisch nicht leitenden oder magnetisch gering leitenden Material hergestellt. Vorzugszugsweise ist der erste Abstandshalter geeignet, das freie Ende der Antriebswelle sowohl axial als auch radial zu umgeben. Insbesondere ist der erste Abstandshalter als eine auf das freie Ende aufsteckbare Hülse ausgebildet. Dadurch kann der erste Abschirmkörper sowohl in axialer als auch in radialer Richtung in Bezug auf die Antriebswelle in einem definierten Abstand angeordnet und fixiert werden. Zur Befestigung des ersten Abstandshalters weist der erste Abstandshalter vorzugsweise eine Öffnung auf, durch die sich die Befestigungseinrichtung erstreckt, so dass der erste Abstandshalter in Richtung der Antriebswelle vorgespannt werden kann.
- Um eine Weiterleitung eines Magnetfeldes von dem ersten Abschirmkörper zu der Erregereinheit zu vermeiden, kann zwischen dem ersten Abschirmkörper und der Erregereinheit ein zweiter Abstandshalter angeordnet sein. Der zweite Abstandshalter ist bevorzugt aus einem magnetisch nicht oder nur gering leitenden Material hergestellt. Der zweite Abstandshalter kann eine Unterlegscheibe sein, die zur Fixierung in eine Aussparung an dem ersten Abschirmkörper eingesetzt werden kann.
- Der erste Abschirmkörper weist vorzugsweise einen zweiten axialen Abschnitt auf, mit dem der erste Abschirmkörper an der Antriebswelle und/oder an dem Abstandshalter radial anliegen kann. Insbesondere kann der erste Abschirmkörper mit dem zweiten axialen Abschnitt über das freie Ende der Antriebswelle und/oder über den Abstandshalter aufgesetzt bzw. aufgestülpt sein. Dadurch ist eine sehr große Übertragungsfläche zum Übertragen eines Magnetfeldes von der Antriebswelle an den ersten Abschirmkörper ermöglicht. Die Übertragung eines Magnetfeldes kann somit stirnseitig und/oder radial an der Antriebswelle erfolgen. Ferner ist eine relativ einfache und präzise Zentrierung ermöglicht.
- In einer Ausführung der Erfindung ist der erste Abschirmkörper zumindest mit einer axialen Stirnseitenfläche der Ringscheibe, die dem freien Ende der Antriebswelle gegenüberliegend angeordnet ist, in einem definierten axialen Abstand von dem freien Ende des Hohlwellenabschnitts beanstandet angeordnet. Ferner kann der erste Abschirmkörper auch radial beanstandet von der Antriebswelle angeordnet sein. Dadurch kann ein axialer und/oder radialer Luftspalt zwischen dem ersten Abschirmkörper und der Antriebswelle ausgebildet sein, so dass der erste Abschirmkörper gegenüber der Antriebswelle feststehend sein kann. Zur Übertragung eines Magnetfeldes von der Antriebswelle zu dem ersten Abschirmkörper ist der Durchmesser der inneren Öffnung der Ringscheibe bevorzugt kleiner als der innere Durchmesser des Hohlwellenabschnitts der Antriebswelle an dem freien Ende. Dadurch ist ein an dem freien Ende der Antriebswelle in dem Hohlwellenabschnitt vorherrschendes Magnetfeld über den zwischen der Antriebswelle und dem erstem Abschirmkörper ausgebildeten Luftspalt in begrenztem Maße axial auf die Ringscheibe übertragbar bzw. induzierbar. Dadurch kann das Magnetfeld insbesondere gleichmäßig und kontinuierlich übertragen werden, ohne dass es zu einer magnetischen Übersättigung in der Ringscheibe kommt. Der hier angesprochene Luftspalt kann in einer alternativen Ausgestaltung auch durch einen magnetisch nicht leitenden Abstandshalter ersetzt bzw. realisiert sein. Ferner können die Ringscheibe und der axiale Abschnitt des ersten Abschirmkörpers zur effektiven Umleitung des Magnetfeldes relativ materialschwach bzw. dünn ausgebildet sein. Dadurch sind eine effektive Abschirmung und ein relativ geringes Gewicht des Drehwinkelmesssystems ermöglicht, so dass letztlich auch die Herstellungskosten verringert sind.
- Besonders bevorzugt ist ein zweiter Abschirmkörper vorgesehen, der einen axialen Zylinderabschnitt aufweist, der zumindest den ersten axialen Abschnitt des ersten Abschirmkörpers radial umgibt, wobei zwischen dem ersten axialen Abschnitt und dem axialen Zylinderabschnitt ein definierter Luftspalt ausgebildet ist. Bevorzugt ist der erste Abschirmkörper magnetisch leitfähig und aus Stahl oder einem sogenannten Mu-Metall hergestellt. Der radiale Abstand zwischen dem ersten Abschirmkörper und dem zweiten Abschirmkörper kann über die axiale Länge des Zylinders konstant sein. Dadurch kann eine großflächige und gleichmäßige Übertragung eines Magnetfeldes bewirkt werden. Ferner kann bei einer Montage der zweite Abschirmkörper in relativ einfacher Weise über den ersten Abschirmkörper aufgesetzt werden. Der zweite Abschirmkörper kann feststehend und insbesondere als ein Außengehäuse zumindest der Messeinheit ausgebildet sein. Folglich kann ein in den rotierenden Bauteilen des Drehwinkelmesssystems erzeugtes Magnetfeld an einer Übergabestelle an zumindest ein feststehendes Bauteil, insbesondere an den zweiten Abschirmkörper, übertragen werden. Dadurch kann die Fläche zur Abschirmung vergrößert werden, ohne dass zusätzliche rotierende Bauteile und ein damit verbundenes zusätzliches Mehrgewicht an der Antriebswelle erforderlich sind. Ferner kann eine effektive Abschirmung gegenüber einem von außen erzeugten Magnetfeld geschaffen werden.
- Der erste Abschirmkörper und/oder der zweite Abschirmkörper können zumindest einen axialen Lagerabschnitt aufweisen, an dem ein Lager der Antriebswelle anliegt. Beispielsweise weist der erste Abschirmkörper und/oder der zweite Abschirmkörper einen Absatz auf, an dem ein Wellenlager der Antriebswelle anliegt. Dadurch ist eine genaue Ausrichtung des Drehwinkelmesssystems bzw. der Messeinheit bezüglich der Antriebswelle sowie ein platzsparender Aufbau ermöglicht.
- Der erste Abschirmkörper und/oder der zweite Abschirmkörper können zumindest einen Absatz aufweisen, an dem die Sensoreinheit und/oder ein Gehäuse befestigt sind. Beispielsweise kann an dem ersten Abschirmkörper und/oder an dem zweiten Abschirmkörper ein Flansch mit einem Schraubenlochmuster ausgebildet sein, an dem das Gehäuse mit einem korrespondierenden Gegenflansch und einem korrespondierenden Schraubenlochmuster mittels Schrauben befestigt ist. Der jeweilige Abschirmkörper kann seinerseits ebenfalls über diesen oder einen weiteren Absatz beispielsweise maschinenseitig festlegbar sein. Ferner kann an dem Absatz der erste Abschirmkörper an dem zweiten Abschirmkörper befestigt sein. Darüber hinaus kann an dem ersten Abschirmkörper und/oder zweiten Abschirmkörper ein Absatz oder Steg zum Befestigen der Sensoreinheit vorgesehen sein. Insbesondere weist der zweite Abschirmkörper einen Absatz auf, an dem ein Sensorträger axial eingesetzt und befestigt werden kann. Dadurch können zum Einen die Komponenten des Drehwinkelmesssystems zueinander ausgerichtet werden, so dass ein zwischen rotierenden und feststehenden Komponenten ausgebildeter Luftspalt relativ klein sein kann, zum Anderen kann das Drehwinkelmesssystem relativ platzsparend aufgebaut sein.
- Vorzugsweise ist ein Gehäuse vorgesehen, das das Drehwinkelmesssystem zumindest teilweise umgibt. Insbesondere die Messeinheit, der erste Abschirmkörper und/oder der zweite Abschirmkörper können von dem Gehäuse axial und/oder radial umgeben sein. Das Gehäuse ist bevorzugt aus Stahl hergestellt. Dadurch kann eine besonders effektive Abschirmung der Messeinheit bzw. des Drehwinkelmesssystems gegenüber Störgrößen erzielt werden, die außen an dem Drehwinkelmesssystem auftreten und das Drehwinkelmesssystem negativ beeinflussen könnten.
- Das Gehäuse ist bevorzugt auf den ersten Abschirmkörper und/oder auf den zweiten Abschirmkörper axial aufsetzbar. Vorzugsweise ist das Gehäuse als ein Topf ausgebildet, der axial über das Drehwinkelmesssystems, insbesondere die Messeinheit, aufgesetzt werden kann. Dadurch sind eine effektive Abschirmung sowie eine relativ einfache Montage des Drehwinkelmesssystems ermöglicht.
- Die Erregereinheit kann ein Magnetträger mit zumindest zwei an dem Magnetträger festgelegten Magneten aufweisen. Dadurch ist eine relativ einfache und kostengünstige Herstellung und Montage der Erregereinheit geschaffen. Der Magnetträger ist magnetisch leitfähig und direkt gegenüber dem Sensor angeordnet, so dass eine Doppelabschirmung besteht, die ein Magnetfeldsystem genau definiert. Dadurch können die magnetischen Verhältnisse am Sensor, insbesondere einem Wiegandsensor, sichergestellt und eine Multiturnfunktionalität des Sensors ermöglicht werden.
- In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Antriebswelle an einem dem freien Ende, an dem die Erregereinheit angeordnet ist, abgewandten bzw. gegenüberliegenden Wellenendbereich, insbesondere einem zweiten freien Ende, koaxial mit einer zweiten Welle verbunden ist, wobei die Antriebswelle aus einem magnetisch nicht oder nur gering leitfähigen Material, wie Titan oder Messing, und die zweite Welle aus Stahl hergestellt sein kann. Dadurch kann eine zusätzliche Abschirmung der Messeinheit gegenüber magnetischen Störeinflüssen erreicht werden.
- Nachfolgend wird die Erfindung anhand drei bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
-
Figur 1 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausführung eines Drehwinkelmesssystems, wobei die Bauteile gesprengt dargestellt sind, -
Figur 2 zeigt schematisch einen Ausschnitt der ersten Ausführung in einer seitlichen Schnittansicht, -
Figur 3 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführung eines Drehwinkelmesssystems in einer seitlichen Schnittansicht, und -
Figur 4 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer dritten erfindungsgemäßen Ausführung eines Drehwinkelmesssystems in einer seitlichen Schnittansicht. - In den
Figuren 1 bis 4 ist jeweils ein Drehwinkelmesssystem 100 gezeigt, das einen unmittelbaren Anbau bzw. eine direkte Kopplung einer Messeinheit 101 an eine Antriebswelle 4 vorsieht, wobei die Messeinheit 101 eine Erregereinheit 5 und eine Sensoreinheit 7 umfasst. Insbesondere ist das Drehwinkelmesssystem 100 an einem axialen Ende der Antriebswelle 4 angeordnet, so dass eine zusätzliche Welle für die Messeinheit 101 nicht erforderlich ist. - Die Antriebswelle 4 ist üblicherweise eine aus Stahl hergestellte Vollwelle, die geeignet ist, zumindest teilweise magnetisiert zu werden. Insbesondere kann die Antriebswelle 4 im Betrieb durch den nicht dargestellten Elektromotor oder durch eine nicht dargestellte, mit der Antriebswelle 4 in Kontakt stehende magnetische Bremse magnetisiert werden. Um dadurch entstehende Messfehler, insbesondere bei Magnet-basierten Messeinheiten 101, die in direktem Kontakt mit der Antriebswelle 4 stehen, zu verhindern, ist eine Abschirmung der Messeinheit 101 gegenüber solchen Magnetfeldern erforderlich. Vorliegend wird eine solche Abschirmung insbesondere durch eine geometrische Ausgestaltung der magnetisch leitfähigen Komponenten 1, 2, 4, 8 der Drehwinkelmesssystem 100 bewirkt, so dass die eine Messung störenden Magnetfelder um die Messeinheit 101 herum abgelenkt werden.
- Wie in den
Figuren 1 und 2 gezeigt, weist die Antriebswelle 4 an einem freien Ende 43 einen Hohlwellenabschnitt 42 auf, der in Richtung des freien Endes der Antriebswelle 4 konisch zusammenläuft. Dadurch ist an dem freien Ende 43 eine zylindrische oder kegelstumpfförmige Ausnehmung 41 in der Antriebswelle 4 ausgebildet, wobei an einer axialen Stirnseite der Antriebswelle 4 eine schmale umlaufende Stirnseitenfläche 43a vorhanden ist. Die Ausnehmung 41 kann beispielsweise mittels eines Drehmeißels oder auch durch eine koaxiale Bohrung hergestellt sein. Am Grund der Ausnehmung 41 ist eine von dem Hohlwellenabschnitt 42 umgebene zweite Stirnseitenfläche 43b der Antriebswelle 4 ausgebildet, die durch eine zu der Antriebswelle 4 koaxiale Bohrung 45 durchbrochen ist. In der Bohrung 45 ist ein Gewinde ausgebildet, mit dem eine Befestigungseinrichtung 9, vorliegend eine Schraube, in Eingriff steht. Die Schraube 9 ist aus einem magnetisch nicht oder nur gering leitendem Material hergestellt, beispielsweise mittels einer Titan-Aluminium-Vanadium-Legierung, so dass ein in der Antriebswelle 4 induziertes Magnetfeld an dem freien Ende 43 der Antriebswelle 4 nicht durch die Schraube 9 sondern lediglich in den Außenbereich bzw. in den Hohlwellenabschnitt 42 weitergeleitet wird. Die konische Ausgestaltung des Hohlwellenabschnitts 42 bewirkt eine Konzentrierung des in den Hohlwellenabschnitt 42 geleiteten Magnetfelds. - Um ein in den Hohlwellenabschnitt 42 geleitetes Magnetfeld nach außen hin bzw. um die Messeinheit 101 abzuleiten, ist ein erster Abschirmkörper 1 vorgesehen, der eine Ringscheibe 10 und einen radial außen an der Ringscheibe 10 umlaufenden ersten axialen Abschnitt 12a aufweist. Der erste Abschirmkörper 1 ist mit einem - wie in
Figur 2 erkennbaren - zweiten axialen Abschnitt 12b axial auf die Antriebswelle 4 bzw. auf einen ersten Abstandshalter 81 aufgesetzt und mit der Antriebswelle 4 drehfest verbunden. - Der erste Abstandshalter 81 ist in Form einer zu der Antriebswelle 4 koaxial ausgerichteten Hülse mit einem Deckel aufgebaut und ist passgenau axial über das freie Ende 43 der Antriebwelle 4 gestülpt. An dem Deckel des ersten Abstandshalters 81 ist eine Öffnung vorgesehen, durch die sich die Schraube 9 erstreckt. Über den ersten Abstandshalter 81 ist der erste Abschirmkörper 1 passgenau aufgesetzt, so dass der erste Abschirmkörper 1 und der erste Abstandshalter 81 an der Antriebswelle 4 über die Schraube 9 festlegbar sind. Die Anordnung des ersten Abstandshalters 81 zwischen der Antriebswelle 4 und dem erstem Abschirmkörper 1 ermöglicht, dass der erste Abschirmkörper 1 in einem definierten axialen sowie radialen Abstand zu der Antriebswelle 4 angeordnet ist. Insbesondere sind eine Stirnseitenfläche 11 sowie eine an dem zweiten axialen Abschnitt 12b radial innen ausgebildete Übertragungsfläche 15 in einem konstanten Abstand zu der Antriebswelle 4 angeordnet. Dadurch ist eine gleichmäßige und kontinuierliche Übertragung eines Magnetfeldes von der Antriebswelle 4 auf den ersten Abschirmkörper 1 ermöglicht.
- Es hat sich gezeigt, dass die Ableitung eines Magnetfeldes durch eine Beabstandung des ersten Abschirmkörpers 1 von der Antriebswelle 4 und somit eine Begrenzung der magnetischen Übertragung von der Antriebswelle 4 auf den ersten Abschirmkörper 1 optimiert werden kann. Als Begrenzungsmittel zwischen dem ersten Abschirmkörper 1 und der Antriebswelle 4 kann ein Luftspalt oder ein nicht-magnetisch leitfähiger Abstandshalter dienen. Daher ist der erste Abstandshalter 81 bevorzugt aus einem Material hergestellt, das keine oder nur eine geringe magnetische Leitfähigkeit aufweist, beispielsweise aus Aluminium. Dadurch ist eine über einen längeren Zeitraum konstante Übertragung eines Magnetfeldes von der Antriebselle 4 auf den ersten Abschirmkörper 1 möglich, ohne dass es zu einer erhöhten magnetischen Konzentration oder sogar zu einer magnetischen Sättigung in den Übertragungsflächen 11, 15 bzw. dem Übergangsmaterial des ersten Abschirmkörpers 1 kommt.
- Die Ringscheibe 10 des ersten Abschirmkörpers 1 weist eine koaxiale Öffnung 14 auf, durch die sich die Schraube 9 erstreckt. Dadurch kann der erste Abschirmkörper 1 auf die axiale Stirnseitenfläche 43a der Antriebswelle 4 vorgespannt werden. Radial außen an der Ringscheibe 10 ist der erste axiale Abschnitt 12a ausgebildet, insbesondere ein koaxialer Zylinderabschnitt. Der erste axiale Abschnitt 12a erstreckt sich ausgehend von der Ringscheibe 10 beidseitig in Richtung hin zu und weg von der Antriebswelle 4. Der erste Abschirmkörper 1 ist aus einem magnetisch leitfähigen Material hergestellt, beispielsweise aus Eisen oder Stahl. Dadurch kann ein in den Flanken des Hohlwellenabschnitts 42 konzentriertes Magnetfeld in die Ringscheibe 10 und in den zweiten axialen Abschnitt 12b des ersten Abschirmkörper 1 übertragen werden und durch den ersten Abschirmkörper 1 nach radial außen in den ersten axialen Abschnitt 12a geleitet werden. Der erste axiale Abschnitt 12a des ersten Abschirmkörpers 1 ist im montierten Zustand von einem feststehenden zweiten Abschirmkörper 2 radial umgeben.
- Der zweite Abschirmkörper 2 umfasst einen Flansch 22, von dem aus ein axialer Zylinderabschnitt 21 sich erstreckt. Der axiale Zylinderabschnitt 21 des zweiten Abschirmkörpers 2 umgibt den ersten axialen Abschnitt 12a des ersten Abschirmkörpers 1 mit einem geringen radialen Abstand, so dass der erste Abschirmkörper 1 innerhalb des zweiten Abschirmkörpers 2 frei drehbar ist. Dadurch sind eine äußere radiale Übertragungsfläche 16 des ersten axialen Abschnitts 12a und eine innere radiale Übertragungsfläche 26 des Zylinderabschnitts 21 mit einem geringen Luftspalt gegenüberliegend angeordnet. Dadurch kann ein Magnetfeld von dem ersten Abschirmkörper 1 an den zweiten Abschirmkörper 2 übertragen und weitergeleitet werden. Vorliegend weist der zweite Abschirmkörper 2 einen axialen Lagerabschnitt 24 auf, an dem ein Lager 44 der Antriebswelle 4 anliegt. Dadurch ist eine genaue Ausrichtung der Messeinheit 101 bezüglich der Antriebswelle 4 ermöglicht.
- Der erste axiale Abschnitt 12a umgibt zumindest teilweise radial einen Raum, in dem die Erregereinheit 5 angeordnet ist. Die Erregereinheit 5 umfasst einen Magnetträger 50, an dem zwei Permanentmagnete 51a, 51b befestigt sind. Die Erregereinheit 5 ist über die Schraube 9 drehfest mit der Antriebswelle 4 verbunden, so dass die die Magnete 51a, 51b im Betrieb ein der Umdrehung der Antriebswelle 4 entsprechendes rotatorisches Magnetfeld aufbauen, welches von der Sensoreinheit 7 erfasst wird. Um eine Weiterleitung eines Magnetfelds von dem ersten Abschirmkörper 1 auf den Magnetträger 50 zu vermeiden, ist zwischen dem ersten Abschirmkörper 1 und der Erregereinheit 5 ein magnetisch nicht-leitfähiger zweiter Abstandshalter 82 vorgesehen. Der zweite Abstandshalter 82 ist vorliegend als eine Unterlegscheibe ausgebildet, die in eine axiale Ausnehmung an der Ringscheibe 10 eingesetzt, so dass ein Verrutschen oder Verschieben der Unterlegscheibe 82 sowie der Schraube 9 gegenüber der Ringscheibe 10 verhindert ist.
- Die Schraube 9 erstreckt sich somit durch den Magnetträger 50, den zweiten Abstandshalter 82, den ersten Abschirmkörper 1 und den ersten Abstandshalter 81 bis in die Antriebswelle 4, so dass die zuvor genannten Komponenten des Drehwinkelmesssystems 100 an der Antriebswelle 4 festgelegt sind. Hierbei ist die Schraube 9 bevorzugt koaxial mit der Antriebswelle 4 verbunden und in Bezug auf die radial inneren Seitenwände des Hohlwellenabschnitts 42 berührungsfrei in der Ausnehmung 41 angeordnet.
- Die Sensoreinheit 7 ist feststehend und umfasst insbesondere einen an einem Sensorträger 72 befestigten Sensor 71, beispielsweise einen Hall-und/oder Wiegand-Sensor. Der Sensor 71 ist in einer Ausführung zur Erfassung einer jeden Umdrehung der Antriebswelle 4 geeignet. Die Sensoreinheit 7 kann ferner eine nicht dargestellte Verarbeitungselektronik umfassen. Der Sensorträger 72 ist als eine runde Scheibe ausgebildet, die im montierten Zustand an einem Absatz 23 des zweiten Abschirmkörpers 2 anliegt. Der Sensorträger 72 bildet dadurch einen Deckel für die innerhalb des axialen Abschnitts 12a des ersten Abschirmkörpers 1 angeordnete Erregereinheit 5.
- Ein feststehendes Gehäuse 8 umgibt schließlich sowohl den ersten Abschirmkörper 1 als auch den zweiten Abschirmkörper 2 zumindest teilweise. Dabei kann das Gehäuse 8 in einfacher Weise über den Zylinderabschnitt 21 des zweiten Abschirmkörpers 2 aufgesteckt und mittels Schrauben 91 an dem Flansch 22 des zweiten Abschirmkörpers 2 befestigt werden. Das Gehäuse 8 kann aus Stahl sein, so dass ein von dem zweiten Abschirmkörper 2 in das Gehäuse 8 übertragenes Magnetfeld nach außen hin ableitbar ist.
- Es sollte deutlich sein, dass zumindest die Antriebswelle 4, der zweite Abschirmkörper 2, der erste Abstandshalter 81, der erste Abschirmkörper 1, der zweite Abstandshalter 82, die Schraube 9, der Sensorträger 72 und das Gehäuse 8 eine gemeinsame Längsachse aufweisen. Es besteht somit die Möglichkeit, einen hochauflösenden magnetischen Multiturnsensoreinheit 7 mit Magnetfeldabschirmung in einen Motor zu integrieren.
- In der
Figur 3 ist eine alternative Ausgestaltung der Erfindung gezeigt, die überwiegend - bis auf beispielsweise die Ausgestaltung sowie der Anordnung des ersten Abschirmkörpers 1 in Bezug auf die Antriebswelle 4 - der in denFiguren 1 und 2 gezeigten Ausgestaltung entspricht. - In der in
Figur 3 gezeigten Ausgestaltung des Drehwinkelmesssystems 100 ist wieder eine Antriebswelle 4 mit einem an einem freien Ende 43 ausgebildeten Hohlwellenabschnitt 42 vorgesehen. Ein erster Abschirmkörper 1 liegt mit einer Stirnseitenfläche 11 einer Ringscheibe 10 unmittelbar an einer axialen Stirnseitenfläche 43a der Antriebswelle 4 an. Ein erster Abstandshalter 81 ist nicht vorgesehen. Dadurch kann eine direkte Übertragung eines in der Antriebswelle 4 vorherrschenden Magnetfeldes in den ersten Abschirmkörper 1 erfolgen. Zur Weiterleitung des Magnetfeldes von dem ersten Abschirmkörper 1 auf einen zweiten Abschirmkörper 2 ist radial außen an der Ringscheibe 10 ein umlaufender axialer Abschnitt 12a ausgebildet, der zylindrisch ausgebildet ist und sich einseitig von der Ringscheibe 10 in Richtung weg von der Antriebswelle 4 erstreckt. Dem axialen Abschnitt 12a gegenüberliegend ist wiederum ein Zylinderabschnitt 21 des zweiten Abschirmkörpers 2 beabstandet angeordnet. Dadurch kann eine effektive Abschirmung der Messeinheit 101 erfolgen. - In der
Figur 4 ist eine alternative Ausgestaltung der Erfindung gezeigt, die wiederum überwiegend - bis auf beispielsweise die Ausgestaltung sowie die Anordnung des ersten Abschirmkörpers 1 in Bezug auf die Antriebswelle 4 - der in denFiguren 1 und 2 gezeigten Ausgestaltung entspricht. - In der in
Figur 4 gezeigten Ausgestaltung des Drehwinkelmesssystems 100 ist wiederum eine Antriebswelle 4 vorgesehen, die an einem freien Ende 43 einen kegelstumpfförmigen Hohlwellenabschnitt 42 mit einer Ausnehmung 41 aufweist. In der Ausnehmung 41 ist ein erster Abstandshalter 81 eingesetzt ist, der drehfest mit der Antriebswelle 4 verbunden ist und dessen axiale Länge die axialen Länge der Ausnehmung 41 deutlich überragt. Dadurch steht der erste Abstandshalter 81 dem freien Ende 43 der Antriebswelle 4 hervor. Der erste Abstandshalter 81 ist vorzugsweise aus einem Material, das nur eine geringe magnetische Leitfähigkeit aufweist, beispielsweise aus Aluminium. Durch den ersten Abstandshalter 81 erstreckt sich eine als Schraube ausgebildete Befestigungseinrichtung 9. Die Schraube 9 ist ebenfalls aus einem magnetisch nicht oder nur gering leitendem Material hergestellt, so dass ein in der Antriebswelle 4 induziertes Magnetfeld, nicht über den ersten Abstandhalter 81 und/oder die Schraube 9 weitergleitet wird, sondern in den radial außen angeordneten Flanken des Hohlwellenabschnitts 42 konzentriert wird. - An dem aus dem Hohlwellenabschnitt 42 hervorstehenden freien Ende des ersten Abstandshalters 81 ist ein Magnetträger 50 einer Erregereinheit 5 mittels der Schraube 9 auf die Antriebswelle 4 vorgespannt. An dem Magnetträger 50 sind zwei Permanentmagnete 51a, 51b befestigt, die im Betrieb ein der Umdrehung der Antriebswelle 4 entsprechendes rotatorisches Magnetfeld aufbauen, welches von einem Sensor 71 einer Sensoreinheit 7 erfassbar ist. Der Sensor 71 ist von einem in der
Figur 4 nicht dargestellten Gehäuse 8 umgeben. - Ein erster Abschirmkörper 1 ist mit einer Stirnseitenfläche 11 einer Ringscheibe 10 in einem definierten Abstand von einer axialen Stirnseitenfläche 43a der Antriebswelle 4 angeordnet, so dass ein axialer Luftspalt 61 zwischen dem ersten Abschirmkörper 1 und der Antriebswelle 4 ausgebildet ist. Der erste Abschirmkörper 1 ist vorliegend als eine feststehende Komponente des Drehwinkelmesssystems 100 ausgebildet. Der erste Abschirmkörper 1 kann zweiteilig aufgebaut sein, so dass der erste Abschirmkörper 1 zwei Hälften aufweist, die radial ineinander steck- bzw. setzbar sind. Zudem kann der erste Abschirmkörper 1 über einen Flansch an dem in
Figur 4 nicht dargestellten Gehäuse 8 befestigt sein. Durch eine koaxiale Öffnung 14 der Ringscheibe 10 erstrecken sich die Schraube 9 und der erste Abstandshalter 81. Der Durchmesser dieser Öffnung 14 ist kleiner als der Durchmesser der radial inneren Flanken des Hohlwellenabschnitts 42. Radial außen an der Ringscheibe 10 ist ein umlaufender axialer Abschnitt 12a ausgebildet, der zylindrisch ausgebildet ist und sich einseitig von der Ringscheibe 10 in Richtung weg von der Antriebswelle 4 erstreckt. Der erste Abschirmkörper 1 ist feststehend und nicht mit der Antriebswelle 4 verbunden. Der erste Abschirmkörper 1 ist aus einem magnetisch leitfähigen Material hergestellt, beispielsweise aus Eisen oder Stahl. Dadurch kann ein in den Flanken des Hohlwellenabschnitts 42 konzentriertes Magnetfeld über den axialen Luftspalt 61 in die Ringscheibe 10 übertragen und schließlich nach radial außen in den axialen Abschnitt 12a um die Erregereinheit 5 und die Sensoreinheit 7 geleitet werden. Die Messeinheit 101 kann dadurch gegenüber einem in der Antriebswelle 4 induzierten Magnetfeld effektiv abgeschirmt werden. -
- 100
- Drehwinkelmesssystem
- 101
- Messeinheit
- 1
- erster Abschirmkörper
- 10
- Ringscheibe
- 11
- Front-/Stirnseitenfläche der Ringscheibe
- 12a
- erster axialer Abschnitt
- 12b
- zweiter axialer Abschnitt
- 13
- Absatz, Steg, Flansch
- 14
- koaxiale Öffnung
- 15
- radiale Übertragungsfläche
- 16
- radiale Übertragungsfläche
- 2
- zweiter Abschirmkörper
- 21
- Zylinder
- 22
- Absatz, Steg, Flansch
- 23
- Absatz, Steg, Flansch
- 24
- Lagerabschnitt
- 26
- radiale Übertragungsfläche
- 4
- Antriebswelle
- 41
- Ausnehmung
- 42
- Hohlwellenabschnitt
- 43
- freies Ende
- 43a
- axiale Stirnseitenfläche an dem freien Ende
- 43b
- axiale Stirnseitenfläche innerhalb der Ausnehmung
- 44
- Wellenlager
- 45
- Bohrung mit Gewinde
- 46
- radialer Luftspalt
- 5
- Erregereinheit
- 50
- Magnetträger
- 51a
- Permanentmagnet, Magnet
- 51b
- Permanentmagnet, Magnet
- 6
- radialer Abstand, Luftspalt
- 61
- axialer Abstand, Luftspalt
- 7
- Sensoreinheit
- 71
- Sensor
- 72
- Sensorträger
- 8
- Gehäuse
- 81
- erster Abstandshalter
- 82
- zweiter Abstandshalter, Unterlegscheibe
- 9
- Befestigungseinrichtung, Schraube
- 91
- Schraube
Claims (14)
- Magnet-basiertes Drehwinkelmesssystem (100) zum Erfassen einer Drehbewegung einer Antriebswelle (4), mit
einer Antriebswelle (4),
einer mit der Antriebswelle (4) an einem freien Ende (43) drehfest verbundenen Erregereinheit (5), und
einer feststehenden Sensoreinheit (7), die zum Erfassen einer Drehbewegung der Antriebswelle (4) mit der Erregereinheit (5) funktional zusammenwirkt,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Antriebswelle (4) im Bereich des freien Endes (43) eine koaxiale Ausnehmung (41) aufweist, so dass ein Hohlwellenabschnitt (42) ausgebildet ist, wobei die Erregereinheit (5) mittels einer sich durch die Ausnehmung (41) erstreckenden Befestigungseinrichtung (9) an der Antriebswelle (4) festgelegt ist, wobei in dem Bereich des Hohlwellenabschnitts (42) zwischen der Antriebswelle (4) und der Befestigungseinrichtung (9) ein radialer Luftspalt (46) ausgebildet ist. - Magnet-basiertes Drehwinkelmesssystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausnehmung (41) kegelstumpfförmig ausgebildet ist. - Magnet-basiertes Drehwinkelmesssystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
ein erster Abschirmkörper (1) vorgesehen ist, der eine zu der Antriebswelle (4) koaxiale Ringscheibe (10), die zwischen der Erregereinheit (5) und der Antriebswelle (4) angeordnet ist, und einen radial außen an der Ringscheibe (10) umlaufenden ersten axialen Abschnitt (12a) aufweist. - Magnet-basiertes Drehwinkelmesssystem (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Abschirmkörper (1) mit der Antriebswelle (4) drehfest verbunden ist, - Magnet-basiertes Drehwinkelmesssystem (100) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen dem ersten Abschirmkörper (1) und der Antriebswelle (4) ein erster Abstandshalter (81) angeordnet ist. - Magnet-basiertes Drehwinkelmesssystem (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen dem ersten Abschirmkörper (1) und der Erregereinheit (5) ein zweiter Abstandshalter (82) angeordnet. - Magnet-basiertes Drehwinkelmesssystem (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Abschirmkörper (1) einen zweiten axialen Abschnitt (12b) aufweist, mit dem der erste Abschirmkörper (1) an der Antriebswelle (4) und/oder an dem Abstandshalter (81) radial anliegt. - Magnet-basiertes Drehwinkelmesssystem (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Abschirmkörper (1) mit einer axialen Stirnseitenfläche (11) der Ringscheibe (10) in einem definierten Abstand (61) von dem freien Ende (43) des Hohlwellenabschnitts (42) angeordnet ist. - Magnet-basiertes Drehwinkelmesssystem (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
ein zweiter Abschirmkörper (2) vorgesehen ist, der einen axialen Zylinderabschnitt (21) aufweist, der zumindest den ersten axialen Abschnitt (12a) des ersten Abschirmkörpers (1) radial umgibt, wobei zwischen dem ersten axialen Abschnitt (12a) und dem zweiten Abschirmkörper (2) ein definierter Luftspalt (6) ausgebildet ist. - Magnet-basiertes Drehwinkelmesssystem (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Abschirmkörper (1) und/oder der zweite Abschirmkörper (2) einen axialen Lagerabschnitt (24) aufweist, an dem ein Lager (44) der Antriebswelle (4) anliegt. - Magnet-basiertes Drehwinkelmesssystem (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Abschirmkörper (1) und/oder der zweite Abschirmkörper (2) zumindest einen Absatz (13, 22, 23) aufweist, an dem die Sensoreinheit (7) und/oder ein Gehäuse (8) festlegbar sind. - Magnet-basiertes Drehwinkelmesssystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Gehäuse (8) vorgesehen ist, das das Drehwinkelmesssystem (100) zumindest teilweise umgibt. - Magnet-basiertes Drehwinkelmesssystem (100) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse (8) auf den ersten Abschirmkörper (1) und/oder auf den zweiten Abschirmkörper (2) axial aufsetzbar ist. - Magnet-basiertes Drehwinkelmesssystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Erregereinheit (5) einen Magnetträger (50) mit zumindest einem an dem Magnetträger (50) festgelegten Magnet (51a, 51b) aufweist.
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